材料力學(xué)課程設(shè)計單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計

1、學(xué)號：作者：序號: 題目：單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計及剛度計算、疲勞強(qiáng)度校核指導(dǎo)老師：2013.10.05目錄1、 課程設(shè)計的目的.22、 課程設(shè)計的任務(wù)和要求.23、 設(shè)計題目.34、 畫出曲軸的計算簡圖及內(nèi)外力分析.45、 設(shè)計曲軸頸直徑d和主軸頸直徑D.76、 設(shè)計曲柄臂的尺寸.87、 校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)度.108、 用能量法計算A-A截面的轉(zhuǎn)角,.119、 設(shè)計和計算的合理性，優(yōu)缺點及改進(jìn)意見和措施1310、 設(shè)計體會1311、 參考文獻(xiàn)1412、 附錄.15一、 課程設(shè)計的目的材料力學(xué)課程設(shè)計的目的是在于系統(tǒng)學(xué)習(xí)材料力學(xué)后，能結(jié)合工程中的實際問題，運用材料力學(xué)的基本理論和計

2、算方法，獨立地計算工程中的典型零部件，以達(dá)到綜合運用材料力學(xué)的知識解決工程實際問題之目的。同時，可以使我們將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計算方法及手段融為一體。既從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代的計算方法，又提高了分析問題，解決問題的能力；既把以前所學(xué)的知識綜合應(yīng)用，又為后繼課程打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程中的設(shè)計思想和設(shè)計方法，對實際工作能力有所提高。1）使所學(xué)的材料力學(xué)知識系統(tǒng)化，完整化。讓我們在系統(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運用材料力學(xué)知識解決工程實際問題。2）綜合運用以前所學(xué)的各門課程的知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計算機(jī)等），使相關(guān)學(xué)科的知識有機(jī)地聯(lián)系起來。3）使我們初步了解和掌握工程實踐中

3、的設(shè)計思想和設(shè)計方法，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。二、 課程設(shè)計的任務(wù)和要求要系統(tǒng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)課程的全部基本理論和方法，獨立分析、判斷設(shè)計題目的已知所求問題，畫出受力分析計算簡圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并導(dǎo)出計算公式，獨立編制計算程序，通過計算機(jī)給出計算結(jié)果，并完成設(shè)計計算說明書。三、 設(shè)計題目某柴油機(jī)曲軸可以簡化為下圖所示的結(jié)構(gòu)，材料為球墨鑄鐵(QT450-5)彈性常數(shù)為E、，許用應(yīng)力為，G處輸入轉(zhuǎn)矩為，曲軸頸中點受切向力、徑向力的作用，且=。曲柄臂簡化為矩形截面，1.41.6，2.54,=1.2r,已知數(shù)據(jù)如下表：0.110.181500.271201800.050.7814.44200.06

4、(一) 畫出曲軸的內(nèi)力圖。(二) 設(shè)計曲軸頸直徑d，主軸頸直徑D。(三) 校核曲柄臂的強(qiáng)度。(四) 校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)度，取疲勞安全系數(shù)n=2。鍵槽為端銑 加工，主軸頸表面為車削加工。(五) 用能量法計算A-A截面的轉(zhuǎn)角,。四、 曲軸的計算簡圖（1） 外力分析計算外力偶矩Me=9549=9549*=327=5457N=2728N利用平衡條件計算支座反力 在XOY平面內(nèi)：=1693N=1035N在XOZ平面內(nèi)：=3387N=2070N（2） 內(nèi)力分析不計彎曲切應(yīng)力（故未畫出剪力圖），彎矩圖畫在纖維受壓的一側(cè)，根據(jù)內(nèi)力圖確定危險截面。主軸頸EB左端截面最危險，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲=Me=3

5、27=*（）=298=*（）=149曲柄臂DE段下端截面最危險，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲和壓縮=Me=327=*（）=298=*（）=149=1035N連桿軸頸頸CD段中間截面最危險，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲=*r=203=*=373=*=186五、 設(shè)計曲軸頸直徑d和主軸頸直徑D（1）主軸頸的危險截面為EB的最左端，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲 根據(jù)主軸頸的受力狀態(tài)，可用第三強(qiáng)度理論計算=其中=(2)曲軸頸CD屬于圓軸彎扭組合變形，由第三強(qiáng)度理論，在危險截面中：編輯程序，求解h，b。六、 設(shè)計曲柄臂的尺寸曲柄臂的危險截面為矩形截面，且受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲及軸力作用（不計剪力），曲柄臂上的危險截面的應(yīng)力分布圖如下圖：根據(jù)應(yīng)力

6、分布圖可判定出可能的危險點為，。（1）點： 點處于單向應(yīng)力狀態(tài)（2）點： 點處于二向應(yīng)力狀態(tài)，存在扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力點的正應(yīng)力為軸向力和繞z軸的彎矩共同引起的 由第三強(qiáng)度理論（3）點： 點處于二向應(yīng)力狀態(tài)根據(jù)第三強(qiáng)度理論（4）1.41.6，2.54通過查表，由插入法可得，最佳曲柄臂的尺寸是在滿足上述四個條件的基礎(chǔ)上使其面積S=hb達(dá)到最小值，編輯程序，由程序得h,b的最佳值為 ，。七、 校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)度球墨鑄鐵（QT450-5）強(qiáng)度極限b=450MP。端銑加工得鍵槽有效應(yīng)力集中系數(shù)K=1.29當(dāng)表面為車削加工時，利用插入法求得其表面質(zhì)量系數(shù)=0.94。已知-1=180MPa，=0.05

7、，=0.78。FB處只受扭轉(zhuǎn)作用，忽略鍵槽對抗扭截面系數(shù)的影響，H-H截面抗扭截面系數(shù)：曲軸工作時，在不變扭矩Me作用下，曲軸不工作時，因此 循環(huán)特征 r=故該循環(huán)為脈動循環(huán)。 所以，H-H截面的疲勞強(qiáng)度是足夠的。八、 用能量法計算A-A截面的轉(zhuǎn)角,采用圖乘法分別求解A-A截面的轉(zhuǎn)角,。(1) 求： 在截面A加一單位力偶矩。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖 與外載荷作用下的彎矩圖如下（畫在受壓一側(cè)）：由平衡方程得B點的彎矩為E點的彎矩為由圖乘法：， 查表由插入法可得（2）求：在截面A加一單位力偶矩。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖 與外載荷作用下的彎矩圖如下（畫在受壓一側(cè)）：同理得：由圖

8、乘法：編寫程序,求解,九、 分析討論設(shè)計和計算的合理性、優(yōu)缺點及改進(jìn)意見和措施1、設(shè)計中，做以下幾點說明： （1）在畫內(nèi)力圖時，忽略彎曲切應(yīng)力，故未畫剪力圖。 （2）在強(qiáng)度計算方面，由于材料是球墨鑄鐵（QT450-5），其性質(zhì)與塑性材料相近，故 用第三強(qiáng)度理論而不用第一或第二強(qiáng)度理論。 （3）在校核曲柄臂畫內(nèi)力分布時忽略了圓孔對其的影響。 （4）在疲勞強(qiáng)度校核H-H截面時，忽略鍵槽對min的影響。 2 、計的改進(jìn)意見及措施提高曲軸的彎曲強(qiáng)度設(shè)計合理的截面以及合理布置支座的形式合理安排曲軸的受力情況；也可以在結(jié)構(gòu)允許的情況下將集中載荷適

9、當(dāng)分散讓在和盡量靠近支座。提高曲軸的彎曲剛度 改善結(jié)構(gòu)形式，盡量減小跨度，選擇合理的截面形狀，減少彎矩的數(shù)值并且合理選材等形式提高曲軸的彎曲剛度。提高曲軸的疲勞強(qiáng)度 提高疲勞強(qiáng)度主要有減緩應(yīng)力集中和提高構(gòu)件表面強(qiáng)度兩種方式。設(shè)計曲軸時，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)方形直角或帶有尖角的孔和槽，即在主軸頸和曲柄臂相連處應(yīng)采用半徑較大的過度圓角。提高曲軸表面的強(qiáng)度：用精細(xì)加工，降低表面粗糙度，尤其對高強(qiáng)度鋼更重要；對曲軸中應(yīng)力集中的部位如鍵槽處應(yīng)采取某些工藝措施，即表面熱處理或化學(xué)處理，如表面高頻淬火、滲碳等或表層用滾壓等冷加工辦法。 十、 設(shè)計體會通過這次課程設(shè)計，自己學(xué)到了許多東

10、西，將自己平常在課堂上學(xué)習(xí)的東西真正地用到了實際當(dāng)中去，加強(qiáng)了對各科之間聯(lián)系的認(rèn)識和學(xué)習(xí)的興趣，加深了對CAD、VC、MATHTYPE等軟件的理解和應(yīng)用能力以及發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力，達(dá)到了鍛煉的目的。對于本次課程設(shè)計中的不足之處，還希望老師批評指正。謝謝老師長期以來的辛勤教導(dǎo)與幫助。 十一、 參考文獻(xiàn) 1聶毓琴等，材料力學(xué)實驗與課程設(shè)計，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2006.8 2聶毓琴，孟廣偉，材料力學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社2007.2 3譚浩強(qiáng)，C程序設(shè)計（第三版），北京，清華大學(xué)出版社，2005.7十二、 附錄C語言程序如下：include<stdi

11、o.h>#include<math.h>#define PI 3.1415926double main()double p,n,Fr,Ft,FAy,FBy,FAz,FBz,L1=0.11,L2=0.18,r,L3,Me;double M1x,M1y,M1z,D,W1,S=120e6;int M2x,M2y,M2z,d,W2;double M3x,M3y,M3z,b,h,A3,Alpha,Gama,Sigma,T,t,h1,b1;double m=1.6*D*0.4*1.6*D*(1e-6),Sigma1,Sigma2,Sigma3,T1,T2,T3,A,B,C;double

12、_FAz,_FBz,_FAy,_FBy,_Mb,_Me,EI1,EI2,EI3,EA,GIt,B1,Zy,Zz,X,E=150e9,u=0.27;printf(" 設(shè)計題目：單缸柴油機(jī)曲軸n請輸入P/kw,n/(r/min),r/mn");scanf("%lf,%lf,%lf",&p,&n,&r);Me=(9549*p)/n;L3=1.2*r;Ft=Me/r;Fr=Ft/2;FAy=Fr*L2/(L1+L2);FBy=Fr*L1/(L1+L2);FAz=2*FAy;FBz=2*FBy;printf("Ft=%5.2f,F

13、r=%5.2fnFAy=%5.2f,FBy=%5.2fnFAz=%5.2f,FBz=%5.2fn",Ft,Fr,FAy,FBy,FAz,FBz);printf("設(shè)計主軸頸直徑n"); /設(shè)計主軸頸和曲軸頸直徑 M1x=Me;M1y=FBz*(L2-L3/2);M1z=FBy*(L2-L3/2);printf("M1x=%5.2f,M1y=%5.2f,M1z=%5.2fn",M1x,M1y,M1z);D=pow (32*sqrt(M1y*M1y+M1z*M1z+M1x*M1x)/(PI*S),1.0/3.0)*1000;printf("

14、;D=%5.2fmm",D);if(int)D%2=0) D=(int)D+2;else D=(int)D+1;putchar(32);putchar(32);printf("故取D=%5.2fmmn",D);printf("設(shè)計曲軸頸直徑n"); M2x=FAz*r;M2y=FAz*L1;M2z=FAy*L1;printf("M2x=%5.2f,M2y=%5.2f,M2z=%5.2fn",M2x,M2y,M2z);d=pow (32*sqrt(M2y*M2y+M2z*M2z+M2x*M2x)/(PI*S),1.0/3.0)

15、*1000;printf("d=%5.2fmm",D);if(int)d%2=0) d=(int)d+2;else d=(int)d+1;putchar(32);putchar(32);printf("故取d=%5.2fmmn",d);for(h=1.4*D;h<=1.6*D;h=h+0.01) /設(shè)計曲柄臂的尺寸h,b for(b=0.25*h;b<=0.4*h;b=b+0.01)A3=b*h*(1e-6);M3x=Me;M3y=FBz*(L2-L3/2);M3z=FBy*(L2-L3/2);Alpha=(1/62.5)*(h/b)+0.2

16、18;Gama=(-1/68.2)*(h/b)+0.804; A=FBy/A3+Me/(b*h*h*(1e-9)/6)+FBy*6*(L2-L3/2)/(h*b*b*(1e-9);T2=M3y/(Alpha*h*b*b*(1e-9);Sigma2=FBy/A3+6*M3z/(b*h*h*(1e-9);B=sqrt(Sigma2*Sigma2+4*T2*T2);T3=Gama*T2;Sigma3=FBy/A3+6*M3x/(b*h*h*(1e-9);C=sqrt(Sigma3*Sigma3+4*T3*T3); if(A<=S&&B<=S&&C<=

17、S )A3=b*h;if(A3<m) m=A3;h1=h;b1=b; Alpha=(1/62.5)*(h1/b1)+0.218;Gama=(-1/68.2)*(h1/b1)+0.804;printf("Alpha=%5.2f,Gama=%5.2fn",Alpha,Gama);printf("曲柄臂最理想的尺寸為h=%5.2fmm,b=%5.2fmmn",h1,b1);if(h/b>=2.5&&h/b<=3) B1=0.179+0.028*h/b;elseB1=0.209+0.018*h/b;_FAz=1/(L1+L2);

18、_FBz=_FAz;_FAy=_FAz;_FBy=_FAz;_Mb=1-_FAz*(L1-L3/2);_Me=_FBz*(L2-L3/2);X=(_Mb+_Me)/2;EI1=E*PI*D*D*D*D*(1e-12)/64;EI2=E*PI*d*d*d*d*(1e-12)/64;GIt=E*B1*h*b*b*b*(1e-12)/(2*(1+u);EI3=E*h*b*b*b*(1e-12)/12;EA=E*h*b*(1e-6);printf("EI1=%.2lf,EI2=%.2lf,EI3=%.2lf,GIt=%.2lf，EA=%.2lfn",EI1,EI2,EI3,GIt,EA);Zy=1/EI1*(0.5*(L1-L3/2)*FAz*(L1-L3/2)*(1-_Mb)/3+_Mb)+0.5*(L2-L3/2)*FBz*(L2-L3/2)*2/3*_Me)+1/EI2*(FAz